（岩土工程专业论文）辽西风积土路基道路冻害防治措施的试验研究.pdf

摘要 通过对风积土的含水量、密度、比重、颗粒分布等指标进行测试、 系统地研究了风积土的物理性质，对物理参数的分析表明：风积土的 颗粒成分中细颗粒为主要颗粒，其结构相对致密，浸水后不具有明显 的湿陷性，风积土路基道路易发生冻害。 根据辽西地区的水文地质气候特征，考察了近几年的辽西地区风 积土路基道路的冻害现象，发现存在的道路冻害现象有：冻胀、融沉、翻浆 冒泥、开裂等。分析研究表明土质、温度、水是产生这些冻害的根本原 因。针对这些冻害，本文从其产生的根本原因出发，采取碾压夯击改 变土体结构、隔断毛细水、无机结合料保温等措施对其进行防治。并 进行了路基风积土冻结试验、碾压夯击试验、风积砂换填试验、水泥 煤渣稳定土层和石灰粉煤灰稳定土层实验研究。根据试验数据分析得 到了其冻结规律。 本文本着取材方便、经济有效的原则。提出了碾压击实法、风积 砂换填法、水泥煤渣稳定土层法、石灰粉煤灰稳定土法四种措施对辽 西地区风积土路基道路进行冻害防止、防治。四种防治措施各有其优 缺点。本文根据四种防治措施室内试验研究得出的规律，找出了每一 种防治措施的应用方法，并针对具体路段的地质水文环境提出了相应 的工程防治措施。 关键词：风积土，道路冻害，防治措施，碾压夯击，风积砂换填，水 泥煤渣稳定土，石灰粉煤灰稳定土 a b s t r a c t t h r o u g ht h et e s to fl i q u i d - w a t e rc o n t e n t ，d e n s i t y , s p e c i f cg r a v i t y ，g r a n u l o m e t r i cd i s t r i b u t i o n a n ds oo n ，s t u d i e dt h ep h y s i c a lp r o p e r t yo f t h ea e o l i a ns o i ls y s t e m a t i c a l l y , t h ea n a l y s i so f t h e p h y s i c a lp a r a m e t e ri n d i c a t e dt h a t ：t h ef i n e g r a i ni st h em a i ni n g r e d i e n ti nt h ea e o l i a ns o i l ，i t s s t r u c t u r ei sc o m p a c tr e l a t i v e l y , a f t e ri m m e r s e si td o e sn o th a v et h eo b v i o u s c o l l a p s i b i l i t y a e o l i a n s o i lr o a df o u n d a t i o no c c u r sf r e e z i n gd a m a g ee a s i l y a c c o r d i n gt ot h er e g i o n a lh y d r o l o g i c a lg e o l o g ya n dc l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c i nl i a o n i n g p r o v i n c e ，s u r v e y e dt h ea e o l i a ns o i lr o a df o u n d a t i o nf r e e z i n gd a m a g ep h e n o m e n ai n w e s t e r n r e g i o no fl i a o n i n gp r o v i n c ei nt h el a s tf e wy e a r s d i s c o v e r e de x i s t e n tr o a df r e e z i n gd a m a g e p h e n o m e n ao ff r o s th e a v e ，t h a wc o l l a p s e ，f r o t he m i tm u d ，c r a c ka n d s oo na n a l y t i c a ls t u d ys h o w t h a te a r t h i n e s s ，t e m p e r a t u r e ，w a t e ra r et h ep r i m a r yc a u s ew h i c hb r o u i g h tt h e s ef r e e z i n gd a m a g e a c c o r d i n gt ot h e s ef r e e z i n gd a m a g e ，t h ep a p e rb a s e do nt h ec a u s eo f t h eg e n e r a t i o no f f r e e z i n g d a m a g e ，a d o p t e dr o l l e rc o m p a c t i o na n dr a m m i n gt oc h a n g et h e s o i l s t r u c t u r e ，c u to f ft h e c a p i l l a r yw a t e r , i n o r g a n i cb i n d i n gm a t e r i a li n c u b a t i o na n do t h e rm e a s u r e st op r e v e n ta n dc u r e a n d p r o c e e dt h er o a df o u n d a t i o na e o l i a ns o i lf r e e z i n gt e s t ，r o l l e rc o m p a c t i o nr a mt e s t ，a e o l i a ns a n d r e p l a c e m e n tt e s l c e m e n tc i n d e rs t a b l es o i l l a y e ra n dl i m e - f l y a s h s t a b i l i z a t i o ns o i l l a y e r e x p e r i m e n t a ls t u d y a c c o r d i n gt oa n a l y s i so nt h et e s td a t aa c q u i r e dt h el a wo f t h e m t h ep a p e rf o l l o wt h ep r i n c i p l eo ft h ec o n v e n i e n c eo ft a k i n gm a t e r i a la n de c o n o m i c b r i n g f o r w a r df o u rm e a s u r e so f r o l l e rc o m p a c t i o na n dr a m m i n g ，a e o l i a ns a n de x c h a n g ef i l l ，c e m e n t c i n d e rs t a b l es o i ll a y e ra n dl i m e f l y a s hs t a b i l es o i ll a y e rt op r e v e n ta n dc u r et h er o a df r e e z i n g d a m a g e t h ef o u rm e a s u r e so fp r o t e c t i o na n dc u r eh a v eb o t hm e r i ta n ds h o r t c o m i n g a c c o r d i n gt o t h el a wa c q u i r e db yt e s tr o o ms t u d yo ft h ef o u rp r o t e c t i o na n dc u r em e a s u r e s f o u n dt h e a p p l i c a t i o nm e t h o do fe a c hp r o t e c t i o na n dc u r em e a s u r e ，a c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t eg e o l o g y a q u a t i ce n v i r o n m e n to fe a c hs e c t o r o fr o a db r i n gf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e so f p r o t e c t i o na n dc u r e k e y w o r d s ：a e o l i a ns o i l ，r o a df r e e z i n gd a m a g e ，p r e v e n t i o nm e a s u r e s ，r o l l e rc o m p a c t i o na n d r a m m i n g ，a e o l i a ns a n dr e p l a c e m e n t ，c e m e n tc i n d e rs t a b l es o i l ，l i m e f l y a s hs t a b i l es o i l 创新点声明 本人声明，足交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。本文主要有以下几个方面的创新点： ( 1 ) 碾压击实路基研究表明：采用碾压击实能有效防治辽西地区风 积土路基道路冻害，撮据不围的遂路等级，最佳遗实度为 9 3 9 5 ： ( 2 ) 风积砂换填鬣积路豢簪f 究表明：采耀最积砂换填隔农法防治 辽西地区风积土路基道路冻害，设置风积砂垫层时，篡位置成 在地下水位以上，一般瘟在基5 0 c m 8 0 c m 深度处铺筑，换 填厚度中湿( 地下水位低) 路基为15 2 0 c m ，潮湿( 地下水 位齑) 路基为2 0 3 0 c m ； ( 3 ) 无机结合料稳定土路蒸防治道路冻害研究表明：采用无机结合 料稳定土防止、防治风积土路基道路冻害的簸佳含量是：承混 煤渣稳定土中水泥为6 左右，石灰粉煤灰稳定土中石灰为 1 4 左右，浮度应在2 5 c m 左右。 本文创新点委托了辽宁省科学技术情报研究所进行了查新，查新结 论如下：关于本委托单位研制的基于上述查新点的“辽西地区道路冻害 机理与防治措施的研究”，在国内文献检索中，来见相同研究的文献报道。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 选题的来源 本论文的研究工作是依托辽宁省教育厅科学研究项目“辽西 地区道路冻害机理与防治措施的研究”而开展的。根据风积土的 物理、冻害性质及辽西地区水文地质环境的现状，对辽西地区道 路冻害的各种发生形式及产生原因进行具体分析研究，找出防治 辽西地区道路冻害的有效措施。 1 2 论文研究的意义和必要性 地球上大部分地区是季节性冻土区和多年冻土区。我国也不例外，两 者合计约占全国面积的7 5 ，其中季节性冻土区的分布面积为 5 1 3 7 x 1 0 6 k m2 ，多年冻土区的分布面积为2 0 6 8 1 0 6 k m 2 i l l 。季节性冻土 主要分布在东北、华北等地( 见图1 1 ) 。本论文主要研究辽西风积土季节 性冻土地区的道路冻害。 豳多年冻土衄季节冻土 图1 - 1 中国冻土分布图 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有地下冰，这是与其他岩 土工程最为本质的区别。冻土区修筑工程构筑物时，面临的两大工程问题： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 冻胀和融沉。路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰 长期的工程实践表明，工程构筑物成败的关键在路基工程，而路基工 程的核心是冻土问题。无论是道路还是桥梁，必须首先面l | 缶冻土分布、冻 土年平均地温分区、高含冰量冻土的分布等重大冻土工程地质问题，因为 它涉及了勘测重点和设计原则的制定，直接关系到道路路基稳定和投资。 另外，地下冰是影响冻土路基稳定的最为重要的影响之一，是产生冻融灾 害或者不良冻土现象的根本问题。对于其他类型工程建筑物来说，比如桥 涵、路堑、高边坡等，冻土的影响也是极为关键的问题。在路基稳定性方 面，还必须同时面临冻融灾害问题，即不良冻土现象。这些与冻融过程有 关的不良地质现象，当它们威胁到道路安全运营和工程稳定性时，就演变 为一种工程灾害。这种工程灾害主要与地下冰、冻融过程和冻土温度有关。 特别是在高含冰量、高温冻土的斜坡地带，微弱的热扰动可能就会引起冻 土区斜坡稳定性变化。 辽西地区由于其特殊的地理环境和气候条件，形成大量的风积土。该 种风积土具有冻胀、融沉、强度弱化、冰丘、冰锥等特殊现象，造成道路 大量翻浆冒泥、路面开裂、桥梁胀起和融沉等，这些问题急需研究解决。 据不完全统计，仅阜新、朝阳地区每年由于冻害给交通行业造成的经济损 失就高达近2 0 0 0 万元。因此，对道路冻害防治加以研究，找出更有效的 防治道路冻害的措施，对现有的工程施工技术加以补充和修正显得尤为重 要，再者，有效的防止道路冻害将大大减少因冻害而损失的巨大费用( 包 括道路、桥梁、水利水电设施等的防治冻害措施费、因冻害而产生的交通 堵塞事故和交通能力运输不足所带来的经济损失) 。所以，本论文的研究 对我国交通基础设施建设、经济发展、人民生活水平的提高都有促进作用， 特别对我国今后的道路、桥梁施工具有一定的指导性，更有广阔的应用前 景。 1 3 国内外研究概况、水平、发展趋势 1 3 1 国外研究概况 土之冻结作用是季节冻土区各种工程产生冻害的主要原因。自2 0 世 纪3 0 年代以来，前苏联、欧美等国家便开始了土的冻胀过程、基本理论 及其应用研究，并结合寒区公路、铁路、飞机跑道、水利建设、油田、矿 辽宁工程技术大学硕士学位论文 山建设的需要，在实验室和现场研究观测土冻胀基本规律，为工程防治冻 害提供了理论依据 2 - h i 。2 0 世纪7 0 年代初，美国为了与前苏联争夺海上 霸权和寒区要地控制权，设立了usa r m yc o l dr e gr e se n gl a b ( c r r e l ) 美国寒区军事工程研究实验室】专门从事寒区工程研究，并取得 了丰硕成果。许多国家还对土粒与水界面作用、土冻结时水份迁移规律及 其动力机制等基础理论进行了深入的研究。 1 3 2 国内研究概况 在我国，随着冻土区的开发和人工冻结凿井在煤矿开采中的应用，房 屋、管道、公路、铁路、桥涵等各类工程建筑物遭到严重的冻胀破坏且量 大而广。寒区土体冻胀及其对工程建筑物的影响问题引起了冻土区工程技 术人员的高度重视。2 0 世纪5 0 年代末期开始，先后由公路、铁路、水利 和矿山开采部门开展冻害调查和病因分析；进入2 0 世纪6 0 年代，中国的 冻胀研究先后在中国科学院兰州冰川冻土研究所与交通、水利、工民建和 矿山等部门的研究所和勘察设计院以及高等院校蓬勃开展起来，分别在东 北、华 和试验 胀的土 b 、西北和青藏高原建立冻土观测场所数十个，开展现场冻胀观测 2 0 世纪7 0 年代的冻胀研究处于室内外相结合的阶段，对影响冻 水、温、压等因素进行较系统的观测、试验和分析；2 0 世纪8 0 年代后逐渐向冻胀机理并侧重工程防冻害措施研究。有关的研究成果除发 表在国内外冻土会议论文集外，主要集中地反映在铁路路基冻害及防治 n 2 1 、土的冻胀与建筑物冻害防治 1 3 1 、冻土的温度水分应力及其相互作 用0 4 和冻土中水分迁移的实验研究 1 4 1 四本专著和公路桥涵地基与 基础设计规范 1 6 1 等行业标准中。 2 0 世纪6 0 年代初，我国开始较系统的现场冻害调查及室内冻胀试验 工作，针对不同道路的水文地址类型，提出了路基水分积聚量计算公式， 总结了灰土垫层、石灰与砂桩对改善路基水温状态的成功经验，并对土的 冻害现象进行了分类。中国科学院兰州冰川冻土研究所为了配合国家开发 青海资源，分别于1 9 6 5 年、1 9 7 0 年在祁连山多年冻土区建立了大型的综 合野外冻土观测站，较系统、完整地对季节融化层的冻胀基本规律进行现 场观测与室内试验研究。自1 9 8 0 年以来，为配合工程建设的需要，以探 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 索土冻胀基本规律为目标的室内试验研究工作在国内迅速开展。与此同 时，大力开展了现场地基或土工建筑物实体工程冻胀的观测研究，取得了 重要的研究成果。特别是近1 0 多年来、国内外对冻土的冻融过程、水份 迁移规律、冻胀模式、融化压缩特性、冻害防治机理 | 7 - 2 , ：1 1 等进行了深入的 研究，无论在试验方面，还是在理论分析、数值模拟方面都取得了较大进 展，另外在冻害防治措施上也有相关论文资料涉及1 “3 0 1 。但是，对各个地 区、各种冻土特性的研究，以形成系统的理论和方法仍是2 1 世纪重要科 研主攻方向。应加强冻土病害的微观研究，重点解决相关学科( 如区域冻 土研究、水分迁移与冷生构造研究等) 的研究成果与寒区道路工程技术相 结合，针对道路的工程特点，开展道路冻融过程的机理、设计理论和道路 病害等方面的研究，提高道路工程理论研究和道路冻害的具体防治措施。 1 4 研究机理 冻害发生的影响因素主要是温度、水和土质。温度，这是冻害发生的 主导因素，土体冻结过程当中有两个特征温度即冻结的起始温度和冻结的 停止温度，并且冻结类型与冷却速度有关；水，试验研究与工程实践证明， 只有土中的水份超过起始冻胀含水量后才会产生冻害，且起始冻胀含水量 与土的干容重、塑限相关密切。同时冻结与土体的密闭性有关，在封闭体 系中，冻结性强弱主要取决于土体持水数量，而在开敞体系中，尽管土体 的初始含水量较小，但在冻结过程中外界水源补给可以大大增加土体的冻 结性；土质，土颗粒大小对土体冻结作用有着显著的影响。当含水量相同 时，土的颗粒越细，冻胀性越强。在细颗粒土中，土的矿物成分影响土体 的冻胀性，就粘性土矿物类型而言，单质粘土的冻胀强度按下列顺序降低， 高岭土 水云母 蒙脱石。而砂砾等粗颗粒土由于没有或只有很少量的结合 水，很少发生冻害现象。因此，为了防治道路冻害现象的发生，只要消除 这三个因素中的一个就能达到防治的目的。目前，辽宁工程技术大学正在 进行的防冻害措施研究重点就是针对这三个因素，通过实验室模拟现场试 验来进行冻害防治措施研究。也通过这些试验来重点研究如何隔水、保温、 改良风积土特性，从而找出有效的措施来防治工程冻害。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 工程中防冻害研究措施、应用及本论文研究思路 由于道路冻害现象的产生要同时具备土质、温度、水三个因素的作用。 因此，为了防止道路冻害破坏作用的产生，只要消除这三个因素中的一个， 就能达到防治的目的。在实际工程中，防治冻害措施从总体讲可以分为两 个方面，一方面是地基土的改良，另一方面是提高基础和结构物的抗冻性。 1 5 1 地基土改良 3 1 1 地基土改良方面主要有以下几种方法：机械法( 粗颗粒土换填、强夯 法) 、热物理法( 土体疏干、加固周围土体) 、物理化学法( 盐化、添加憎 水物和电化学处理) 和综合法( 盐化加加密) ，这些方法的基本原理为： 机械方法防冻胀是基于改变土颗粒的粒度成分或接触条件，减少水分 迁移的原理。试验表明，未冻状态下，土水势相同，土的持水能力黏粒 粉粒 砂粒；饱和度相同时，导湿系数为砂粒 粉粒 黏粒。冻结状态下， 负温相同时，未冻水含量为黏粒 粉粒 砂粒，而导湿系数为粉粒 黏粒 砂粒。因此温度梯度等其他条件相同时，冻土的水分迁移量为粉粒 黏粒 砂粒，从而导致其他条件相同的情况下，粉粒含量高的土具有较强的冻害 性。 挖除粉粒含量高的土并用较纯净的砂砾石换填以减少冻害破坏的方 法，主要是利用粗颗粒土的以下特性：饱水粗颗粒土冻结时，水分不向冻 结锋面迁移，而向相反方向迁移( 即不是吸水而是排水) ，因此可避免强 烈的分凝冻胀。非饱和粗颗粒土冻结时，虽然水分是向冻结锋面迁移，但 比其它的土小的多。强夯法防治冻害就是立足于改变土颗粒间的接触条 件。冻土中水分迁移可以以气、液、固等三种形式进行，液态水迁移是水 分迁移的主要形式。土中液态水是通过毛细管和水膜厚度变化进行输送。 利用强夯法是增大土的密度，使土颗粒之间的接触类型从固一液固型或固一 固液固型尽量向固固型转化。切断土中毛细管之间的联系或减薄土颗粒 外围的水膜的厚度，从而达到较少水分迁移量的目的。但是，经过反复的 冻融作用后，土的结构会发生不可逆的变化( 团块结构和脉状裂隙增多) ， 因此，此法的长期效果还有待迸一步研究。 热物理方法防冻害措施是基于改变土中水热状况，减少水分迁移量的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 原理。阻止地表水入渗和地下水位都有使土体疏干的作用，土中初始含水 量小或者切断外界水源补给，自然可以达到减少水分迁移量的目的。铺设 隔热层不但可以来改变隔热层下土中的温度进程，而且可以把一维的水热 迁移问题转化为二维问题，以此来改变水分迁移的方向和强度。细颗粒土 或者砂土上铺设隔热层，使得其下土层的温度高于邻近的土层，冻结迟缓， 引起冻结时水分的双向迁移，即隔热层下土层的水分自下而上的垂直迁移 和由隔热层下土层的水分向本土层的横向迁移。由于横向水分迁移先出现 而强度较大，所以隔热层土层均处于脱水状态。但如果饱水砂土层上铺设 隔热层，情况恰好相反，无隔热层区段饱水砂土冻结时水分被排到隔热层 下砂土中并在那里形成并透镜体。所以铺设隔热层方法防冻胀措施对细颗 粒土和不饱和砂土是有效的，对于饱和砂土不但无效而且会导致更坏的后 果。 物理化学方法防冻害措施是基于添加某种试剂改变土壤水的成分和 性质或者改变土颗粒的集聚状态，减少水分迁移量的原理。盐化法通过在 土中添加化学试剂，改变土中水溶液的溶质成分或浓度，减少土的冻结温 度，使土层即使在负温下仍处于未冻状态或在较低的负温下冻结。但盐化 法会导致土体的抗破坏能力显著降低，而且相对变形液比非盐渍土大的 多。通过加入甲基、乙基，丙基或苯基硅酸钠溶液，可使分散的土颗粒胶 结起来。土中加入某种土壤改良剂、苯乙烯与硫酸甲脂共聚物、聚乙烯醇 或三氧化铁可使土中水分粉黏粒聚集成粒径大于o 1 m m 的团粒。土中加入 磷酸盐，例如四磷酸钠、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠等，可使土颗粒进一步 分散，黏粒含量增大。这些胶结、团聚和分散法都是通过添加剂使土颗粒 向两级( 砂粒极和黏粒极) 分化，从而达到减少土的渗透性和水分迁移量， 减少冻害的目的。采用阳离子表面活性剂( 如双十八烷基乙而胺) 与柴油 等体积混合后，配制成浓度为1 或者o 5 的水溶液，喷雾或与土拌和， 使土颗粒表面形成憎水性，从而减少地下水的上升量和地表水的入渗，减 少水分迁移量和冻害。此外，利用电化学的方法，通过阳极端向阴极端的 疏干排水，使土的渗透性降低，力学性能和冻害性显著降低。物理化学方 法防治冻害，一般来说，如果方法使用得当，其效果是显著的，这类方法 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 的主要缺点是代价昂贵且效果随冻融循环次数增多而减弱。 1 5 2 基础和结构物抗冻害 基础和结构物抗冻害主要是从结构物自身的设计和施工方面来改善 其抗冻害的能力。主要有增加基础荷载及基侧单位压力，基础周围铺设防 冻材料，加固基础锚固和改变基础断面形式及表面平整度。 增大上部荷载可有效防治冻害。季节冻土区内，土层由地表向下冻结， 水分由下向上迁移，上部荷载通过基础底面向下传递。因此，由应力梯度 引起的自上而下的水分迁移抵消了部分由温度梯度引起的自下而上的水 分迁移量。试验表明，土的冻害随上部荷载增大按指数规律衰减。 在基础周围铺设防冻填料主要是通过切断水分补给通道的原理来实 现的。目前填料主要包括：干燥卵砾石、垂直层状砂粒层、憎水黏土层、 放水聚合物、土工布( 防渗补强) 和沥青复合物或者是油渣。对于道路路 基的防冻措施，要综合考虑其工程可行性。 1 5 3 防冻害措施的工程应用 在道路的工程建设中，由于道路是线性构造物，涉及的区域范围大， 所以防冻害措施有其自身的特点。在实际工程应用中，通过对防冻害原理 的分析和综合，结合建设项目所处的实际气候条件和水文、工程地质条件， 荷载因素，因地制宜采用合理的措施。防治道路冻害的措施可以归纳为以 下几类：( 1 ) 采用非冻害材料换填冻害土的“置换法”；( 2 ) 在路基中设 置隔温层，提高冻害土的温度，减少冻害的“隔温法”；( 3 ) 在冻胀中 掺入石灰和水泥，改变其冻结性质，降低冻结温度的“稳定处理法f r o ( 4 ) 利用没有毛细作用的大粒径颗粒土或者隔水材料的“隔水法”。当前主要 采用难以引起冻害作用的粗颗粒材料，在预想的冻深范围内换填冻害土的 置换法。 ( 1 ) 置换法 作为防治道路冻害的景换法，是采用非冻害材料置换部分冻害土。应 用时主要确定采用粗颗粒材料，置换到何种深度的问题。 ( a ) 置换厚度的确定。在道路设计中，对冻害深度应置换的厚度是不同 的。在温暖地区约为冻深的1 0 0 ，寒冷地区可以折减。在实践中大多数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 根据调查结果与实验经验确定合适的置换深度。( b ) 置换材料的质量。对 置换法所采用的粗颗粒材料，用于底基层和冻层的要符合质量与规格方面 的要求，同时要求这种材料本身不能产生冻害。如何选用非冻害性的材料， 主要是根据室内冻害试验来判断。置换材料的种类，应满足以下要求： 砂：通过o 0 7 4 r a m 筛孔的应在6 以下；未筛砂砾：对全部材料通过 o 0 7 4 m m 筛孔以及通过4 7 6 m m 筛孔的量应在9 以下；未筛碎石：对 全部材料通过o 0 7 4 m m 以及通过4 7 6 r a m 筛孔的量应在1 5 以下；混合 未筛砂砾碎石：对全部材料通过0 0 7 4 m m 以及通过4 7 6 r a m 筛孔的量应在 1 2 以下；火山灰：要符合室内冻胀试验的要求，对于全部材料通过 o 0 7 4 r a m 筛孔的量在2 0 以下，烧失量在4 以下的火山灰可以采用。 ( 2 ) 隔温法 隔温法适用于冻结度较大，或者交通量较小，在优质置换材料缺少的 情况下而采用的一种防治措施。为了防止道路的冻害破坏，在采用隔温材 料时，要选择热导率小的材料，才有较好的隔温性能。材料的隔温性能要 持久，承载能力要高，耐水性要好，并且应廉价经济，满足这些条件的材 料有聚苯乙烯薄板3 孙。在道路路面中采用隔温法，目的主要是控制冻结作 用侵入到冻害性路基土的深度。采用这种方法，要非常注意在隔温层上的 垫层施工工艺问题。因为运输垫层材料及采用机械压实过程很容易使隔温 材料被破坏，并且常常会将粗粒材料压进隔温层中。为此，可以在隔温层 上撒铺数厘米的中砂，然后再铺2 0 3 0 e m 的砂砾层后进行碾压。 ( 3 ) 稳定处理法 在冻害性土中掺入适当的食盐或者水泥、石灰等添加剂，从而使土颗 粒之间相互凝结，致使透水性降低，以达到显著改善道路冻害的目的。这 种方法适用于冻结深度大，无砂石料和交通量不大的路段。一般来说，砂 质土宜采用水稳定法处理，粉质土、粘性土宜采用消石灰处理，高含水量 用生石灰稳定处理 ( 4 ) 隔水法 利用无毛细作用的粗颗粒料或者是隔水薄膜、沥青封层等补透水层隔 断地下水的毛细水，切断水分迁移的通道，减少分凝冻胀，并使路基具有 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 一定的强度。这种方法适用于毛细作用大，受地下水位影严重，而地表水 影响不大的路段。隔水层设置深度要以保证路基强度为前提。 ( 5 ) 用复合土工膜防治冻害1 3 2 - 3 j 1 采用土工合成材料来代替透水层，土工合成材料的作用同样是切断毛 细管，下部土中水分不能供给其上的非饱和土层。土工合成材料具有较大 的孔隙，其渗透系数与粗中砂相当，如不被淤塞充填可以保持良好隔断毛 细管的作用；其次土工合成材料的亲水性比土的亲水性差，因而可以减少 毛细管上升的高度。复合土工膜是将土工膜和土工织物粘合在一起，应用 较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量为2 0 0 6 0 0g m 2 。具有 一定厚度的复合土工膜具有良好的三维透水特性，这种特性除了可以透水 反滤，还可以使水经过复合土工膜的平面迅速地沿水平方向排走，且不会 堵塞，构成水平排水层。以复合土工膜作为排水层，其效果取决于其在相 应的受力条件下导水性的大小及其所需排水量和所接触土层的土质条件。 复合土工膜设置在两种不同土或材料，或者土与其他材料之间把它们相互 隔开，避免混杂产生不良的效果，并保证发挥结构预期作用，提供排水和 防止地基承载力恶化等，其作用机理是依靠复合土防止地基承载力恶化 等，依靠复合土工膜的高抗拉、抗顶穿及撕裂强度，整体连续性和广泛的 柔韧性以及良好的耐酸碱、生物侵蚀、变形和各种环境变化的影响而不破 损。这样，当用于受力的结构体中，必将有助于保证结构的状态和设计功 能。1 9 9 9 年在1 0 9 国道改建工程中进行的试验观测，证明铺设复合土工膜 效果明显，防治冻胀引起的翻浆的方法可行。路基土的含水量和含冰量是 历年来最低的，这说明铺设复合土工膜有效地隔离了上渗的地下水，并引 导其从水平方向排出到排水沟，同时对路基起到了加固补强的作用。因为， 当地基可能产生冲切( 楔入) 破坏时，铺设的土工聚合物受集中荷载作用， 将产生一垂直分力以抵消部分荷载。当很软的地基可能产生很大变形时， 铺设的复合土工膜由于其承受拉力和与土的摩擦作用而增大侧向限制从 而减少变形，特别是侧向变形，增强了路基的稳定性。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 1 5 4 本论文研究冻害防治措旌的思路 本论文研究道路冻害的防治措施主要是在实验室内通过对改变土体 组成和结构，通过击实土体、风积砂换填风积土、添加一定比例的石灰、 煤渣、水泥等来减小土体的孔隙和导水能力，增加黏聚力，以达到减小冻 害的目的。由于冻害的严重程度主要取决于冻结过程中土体温度及土体内 部水分迁移和冰的分凝状况，而影响水分迁移和冰分凝状况的一个主要因 素是土体的结构构造。碾压击实风积土、水泥与石灰等无机粗骨料的加入 以及风积砂换填，能够使土壤中水分、温度发生变化，这样将减小冻害的 发生。 通过在实验室内对辽西季节性冻土进行物理或化学改良研究，具体操 作是在风积土中通过添加粗粒料填充物：生石灰、煤渣，水泥等无机结合 料来改变其粒经级配。进行碾压击实试验、风积砂换填试验、无机结合料 稳定土作路基基层试验来进行防冻害比较。最后结合施工工艺控制，综合 分析不同防治措施对辽西冻害产生的影响及其各种防治措旌的内在联系， 找出各种防治措施对辽西季节性冻土区道路冻害的作用规律，研制出保护 道路相对稳定的有效技术，找出防治辽西道路冻害的有效措施。 1 6 本论文研究内容 ( 1 ) 试验研究得到辽西地区风积土的物理性质； ( 2 ) 调研和总结了目前辽西风积土地区道路工程冻害的类型，分析各 种道路工程冻害产生的原因极其这些冻害产生的影响因素； ( 3 ) 试验研究碾压强夯、风积砂换填、有机结合料稳定土在防治道路 冻害方面的规律性，分析出各种具体防治措施的最优施工方法； ( 4 ) 通过试验资料分析、对比、研究，找出针对辽西地区土质的类型、 气候条件，找出有效的防治辽西地区道路冻害的具体措施。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 辽西地区风积土的物理性质 风积土是由风作为搬运动力，将碎屑物由风力强的地方搬运到风力弱 的地方沉积下来的土。风积土的生成不受地形的控制，我国的黄土就是典 型的风积土，主要分布在沙漠边缘的干旱与半干旱气候带。风积黄土的结 构疏松，含水量小，浸水后具有湿陷性，而辽西地区风积土的结构相对致 密，平均含水量要大于黄土，一般情况下浸水后不具有明显的湿陷性。 2 1 风积土的基本物理性质 2 1 1 土样的制取 基于阜新地区的自然区划和工程实际情况，根据冻胀、冻害试验项目 的要求，试验土样分为原状土和扰动土两种。根据试验及试验条件的要求， 取土地点选择在冻胀较明显的路段，在阜新的道路网中，选择了新邱镇新 邱新区作为取土地点，土样没有受到施工干扰，受人为扰动也很小， 因此基本符合要求。取土时剥掉上部可能受扰动的浮土，取到地 下1 5 m 左右，共选择了3 个地点，每个地点取9 组土样，原状 土用环刀取样，所有的过程符合土工试验方法标准( g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 的要求。根据水文地质部门的调查结果，l o 月份新邱新区 的地下水位为3 4 m ，毛细水的上升高度为1 7 m 。 2 1 2 密度试验 根据环刀法适用于细粒土的密度测定，在取土样的过程中，将刃口向 下放在取土深度处，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样， 边压边削至土样高出环刀，用切土刀整平环刀两端土样，擦净环刀外壁， 称环刀和土的总质量。每组土样取3 个，分别测定求其平均值。试样的湿 密度，按2 - l 式进行计算，精确到0 0 1 9 e r a 3 ，即 p o = 粤 ( 2 1 ) v 式中：岛一天然密度，g e r a 3 ； 一湿土质量，g ； y 一湿土体积，c m 3 试验结果见表2 1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 - 1 密度试验结果 至鬟主登121 三芷坠! 垫! 筮，。盛：，二篮芏 il5 7 34 2 61 1 4 76 01 9 1 2 i 2i5 6 74 2 61 1 4 16 01 9 0 2 1 9 15 3l5 8 44 2 ，61 15 86 01 9 3 0 l15 1 34 2 61 0 8 76 01 8 l l 22l5 3 34 2 61 1 0 76 01 8 4 51 8 5 2 3l5 6 64 2 61 1 4 06 01 9 0 0 i1 6 2 74 2 6l2 0 16 02 0 0 2 321 6 3 04 2 91 2 0 16 02 0 0 22 0 2 31 6 5 ，74 2 6 1 2 3 1 6 0 2 0 5 2 2 1 3 天然含水量试验 在密度试验完成后，取环刀中的土样1 5 3 0 9 放入称量盒内，盖上盒 盖，称盒加湿土的质量，精确到o o l g 。打开盒盏，将盒置于烘箱内，在 1 0 5 1 1 0 1 2 的恒温下烘8 h ，直到恒重。将称量盒从烘箱中取出，盖上盒盖， 放入干燥容器内冷却到室温，称盒加干土的质量，精确到o o l g 。 试样的天然含水量按式2 2 计算，精确到0 1 ，即 铲( 薏小。l 式中：肌d 一干土质量，g ； 一湿土质量，g 。 试验结果见表2 2 。 ( 2 2 ) 表2 2 天然含水量试验 。蓑鬟，盒号盒霪，量叁：g 券耋：丢专g 寿 g 寿含。褒产。搿 ( 地点) 皿 ( g )土( )土( g )( ( )( ) 篱 r 2 l81 4 2 033 0 63 0 5 5l8 8 61 6 3 5 15 3 5 l r 2 2 81 4 3 23 9 6 83 6 4 22 5 3 62 2 1 01 4 7 5 i5 7 0 r 2 3 81 4 2 63 6 8 43 3 5 62 2 5 81 9 3 0 1 6 9 9 r 2 l8 1 4 2 03 i 5 92 9 1 0 l7 3 91 4 9 01 6 7 2 2r 2 2 8 1 4 。3 2 3 7 0 8 3 3 7 9 2 2 7 6t 9 4 71 6 9 21 7 4 0 r 2 3 81 4 2 63 1 8 92 9 1 3l7 6 31 4 8 71 8 5 6 r 2 1 81 4 2 03 4 7 93 1 4 02 0 ，5 917 2 01 9 7 2 3r 2 2 81 4 3 23 4 4 23 0 9 22 0 1 01 6 6 02 i 0 82 0 6 0 r 2 3 81 4 2 63 7 0 23 3 0 72 2 ，7 6 1 8 8 l2 1 0 0 2 1 4 土粒比重试验 对于粒径小于5 r a m 的土样，采用比重瓶法测定比重，在完成对比重 瓶的校准后，将比重瓶烘干，称烘干试样1 5 9 左右装入比重瓶，称试样和 瓶的总质量，准确到0 o l g ，将纯水注入比重瓶至一半，摇动比重瓶，并 在沙浴中煮沸3 0 r a i n 。将煮沸经冷却后的纯水注入装有试样悬液的比重瓶， 至长颈比重瓶的刻度处，将比重瓶置于恒温水槽内至温度稳定，且瓶内上 辽宁工程技术大学硕士学位论文 部悬液澄清。取出比重瓶，擦干瓶外壁，称比重瓶、水、试样总质量，准 确至o 0 1 9 ，并测定瓶内水温，准确至o 5 c 。 土粒比重按下式计算，即 q = 所d 册h + 聊j 一研 ” g r 式中：一比重瓶、水总质量，g ； m 。一比重瓶、水、试样总质量，g ； - - t c 时纯水的比重。 试验结果见表2 - 3 。 表2 - 3比重试验 ( 2 3 ) 取土 地点 l 取土 地点 2 取土 地点 3 l4 3 1 2i5 1 71 4 2 8 8l5 2 1 35 9 22 5 6 3 4 1 0 6 4 0 9 3 4 3 1 2 4 1 0 6 4 0 9 3 4 3 1 2 4 i 0 6 4 0 9 3 i5 3 61 4 0 9 2 l5 7 31 4 1 2 9 l5 4 81 4 2 9 0 l5 0 6 1 4 0 9 4 l5 1 61 4 l ，2 0 l5 i51 4 2 9 2 i5 8 81 4 0 9 6 1 5 8 21 4 1 2 2 l5 0 4 8 1 5 1 1 4 l5 2 6 2 l5 0 3 4 l5 0 7 8 1 5 2 4 6 1 5 0 0 8 l5 1 2 3 5 8 02 6 4 82 6 3 5 8 82 6 7 5 5 7 62 6 8 8 5 6 62 6 6 l2 6 9 5 5 82 7 1 7 5 6 l 2 7 0 0 5 9 62 6 6 42 7 0 5 8 l2 7 2 2 2 2 风积土颗粒分析 2 2 1 试验方法 对于粒径小于6 0 r a m ，大于o 0 7 5 r a m 的土样，采用筛析法；对于粒径 小于o 0 7 5 r a m 的土样，采用密度计法或者移液管法。通过对土样的观察， 判定含有细粒土，首先进行筛析法试验。 2 3 l 2 3 l 2 3 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 2 2 2 试验过程及结果 取土样1 0 0 - 3 0 0 9 置于盛水烧杯内充分搅拌，使试样的粗细颗粒完全 分离，将试样过2 m m 的筛，取筛上的试样烘干到恒重，称烘干试样质量， 由于本试验筛上质量小于试样总质量的1 0 ，不进行粗筛分析。取筛下的 试样悬液，用带橡皮头的研杆研磨，过0 0 7 5 m m 筛，将筛上的试样烘干到 恒重，称烘干试样质量，倒入依次叠好的细筛中，将细筛置于振筛机上振 筛1 5 m i n ，由上而下的顺序将各筛取下，称各级筛上及底盘内试样的质量， 准确到o 1 9 。 。 小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比，按下式计算，即 x ：丝d ，( 2 4 ) m s 。 式中：x 一小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比，； 删一小于某粒径的试样质量，g ； t ? 口一所取的试样质量，g ； d 。一粒径小于2 m m 的试样质量占试样总质量的百分比，。 本试验粒径小于o 0 7 5 m m 的试样质量大于试样总质量的1 0 ，进一 步用密度计法测定颗粒组成。 取粒径小于o 0 7 5 m m 的试样倒入量筒，加入4 的六偏磷酸钠1 0 m l ， 再注入纯水至1 0 0 0 m l ，将搅拌器放入量筒内，沿悬液深度上下搅拌l m i n ， 取出搅拌器，立即开动秒表，将密度计放入悬液中，测记o 5 、1 、2 、5 、 1 5 、3 0 、6 0 、1 2 0 、2 4 0 、1 4 4 0 m i n 时的密度计读数。本试验采用的甲种密 度计读数精确到o 5 0 小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比，按下式计算，即 x ：i o o c ( r ：聊r b ? l - c d ) ( 2 5 ) 用d 式中：工一小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比，； 册d 一试样干质量，g ； c 0 - - + 粒比重校正值； 肼，一悬液温度校正值； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 栉一弯月面校正值； c d 一分散剂校正值； 矗一甲种密度计读数。 试样颗粒粒径应按下式计算，即 d = 式中：d 一试样颗粒粒径，m n ls ，7 一水的动力粘滞系数，k p a s x l 0 。； 一水的比重； 肪一4 时水的密度，g e m 3 ； 三一某一时间土粒的沉降距离，c m ； ( 2 6 ) ，一沉降时间，s ； g 一重力加速度，e m s 2 。 分别从三个地点各取一个试样进行试验，试验结果见表2 - 4 。 表2 - 4 土颗粒分析成果表 编 粒径大小( r a m ) 颗粒组成的百分比( ) 号_ _ 石1 i 厂噩瑶f 1 爵1 褫蕊_ 盔i 五丁 s l0 86 31 2 91 1 6 2 4 11 2 24 91 6 08 03 2 s 203 31 4 2l3 64 5 0 1 2 40 64 05 71 2 8 30 27 71 6 61 4 72 9 9 1 2 33 75 67 4i 8 从颗粒分析结果来看，o 0 7 5 r a m l m m 粒径的颗粒约占5 0 - 7 0 ，